作者：劉金鵬
來源：《世界家苑·學術》2017年第12期

        摘要：冰災是輸電線路最為常見的自然災害之一，也是不可避免的自然災害。架空輸電線路導線覆冰極大地增加了導線的機械負荷，進而導致一系列安全事故出現，如斷線、倒塔以及導線舞動等，嚴重影響線路的安全運行。自2008年中國南方大面積冰雪災害后，國內相關產學研機構進行了大量輸電線路抗冰、融冰研究，取得了很大成果。本文就以鋁導線超憎水性表面的構造原理為依據，對不同微結構與涂層作用下導線表面的覆冰和憎水特性進行系統化的分析，證實其防覆冰性能。

        關鍵詞：輸電線路；導線；憎水性；防覆冰涂層

        1輸電線路鋁導線憎水性防覆冰涂層的研究

        1.1輸電導線防冰涂層的研究

        根據涂層方式可以從根本上實現對導線表面覆冰形成與增長的有效抑制與緩解，進而能夠將其他方面所具備的缺陷進一步消除，如耗能高、效率普遍不高、有限的使用范圍以及地形地貌的影響大等，為此需要以防覆冰涂層的不同工作原理為依據，將其分為幾種不同的類型，即電熱型、光熱型、憎水性、凝固點抑制劑型等。

        1.2憎水性防覆冰涂層的研究

        較為光滑材料的表面，其憎水性在一定程度上會極易受到化學成分的顯著影響。基于普通材料光滑表面水滴的接觸角控制在120°以下，然而諸多植物表面的水滴接觸角在150°以上，如荷葉，并且在其表面水滴很難穩定地進行停留。為能夠獲得類似荷葉表面的憎水性，學者深入分析和研究了荷葉的表面結構，從中找出荷葉表面的結構并非光滑，而是被微米尺寸的乳凸所大量組成的，且納米尺寸的凸起大量的存在著，其表面結構在整體上表現為微納米復合階層結構的粗糙表面；通過細致分析荷葉表面的化學成分，發現一層蠟質憎水性涂層存在于荷葉表面。受憎水性表面張力小的影響，導致接觸水滴的面積和相互作用都比較小，相應的也會嚴重影響著其表面的覆冰性能。

        另外，不能深入研究鋁絞線憎水性防覆冰涂層，這主要與當下輸電鋁導線超憎水性防覆涂層的研究仍處于探究階段有很大的關系，因此會利用結構相對比較簡單的鋁片代替，通過深入研究其表面的覆冰性能，將有助于促進工程應用問題的有效解決。然而，受復雜絞線表面結構的影響和研究力度的不足，導致這方面的開發研究非常少。

        2試驗裝置與測試方法

        在特定的大氣條件下輸電線路鋁導線會時常出現嚴重覆冰的情況，為此關于這方面的試驗研究也應該在特定大氣條件下開展，因此進行模擬設計十分有必要。

        2.1輸電導線覆冰模擬系統

        根據危害程度可以將輸電導線覆冰逐漸劃分為白霜、霧凇、混合松以及雨凇，其中雨凇會給輸電線路造成最為巨大的危害，這主要與其本身的高密度和強粘附力有關，由此會急劇增加輸電導線的機械負荷。例如，我國大多數南方省份的輸電線路在2008年出現的嚴重覆冰損害在很大程度上便是與毛毛雨和凍雨所造成的雨凇覆冰有關，相應的雨凇覆冰也就成為研究的重點問題。由于雨凇覆冰除在一定程度上會受到冰水滴直徑的影響以外，風速和氣溫等也會造成不同程度的影響，為此在整個研究過程中需要強化考慮和模擬這些因素，在此基礎上通過對其本身特點將一整套較為完整的輸電導線覆冰模擬系統設計出來，即成冰氣溫和風速的控制、成冰水滴直徑控制。

        覆冰試驗方法：為能夠在自然低溫過冷水滴環境中將輸電導線表面的覆冰形成過程更好地模擬出來，需要根據一定的步驟模擬系統中的覆冰形成過程。

        第一，設置環境模擬實驗箱的溫度為-6℃，儲水水箱的溫度為0℃，通過將氣候箱和水制冷系統分別開動，以此分別對氣候箱與成冰水制冷。第二，待環境模擬實驗箱內部溫度滿足-6℃時，需要在其中放置鋁導線并進行為期0.5h的預冷，當鋁導線表面溫度達到箱內溫度時，則需要將噴水裝置啟動并對其表面進行必要的噴水覆冰，以此鋁導線表面所形成的雨凇覆冰會更好，其中噴水的方式主要采選用的是噴10s停30s的間隔方式。第三，通過每隔5min拍照記錄鋁導線表面覆冰的狀態，每隔10min進行稱重分析，以此便可以充分掌握其表面的實際覆冰狀態。

        2.2覆冰粘附強度的測試

        所謂的覆冰粘附主要是在0℃以下的氣溫環境中，在材料表面水通過凍結而逐漸形成的和表面材料的粘合強度，受不同成分與結構的影響，導致其覆冰粘附的強度在一定程度上會存在不同。針對材料表面粘附強度比較大的覆冰，脫落的情況一般不會發生，要想其脫落則需要借助較大的外力，而對于那些粘附強度比較小的，則在重力的作用下覆冰便可自行脫落。因此，以覆冰粘附強度為依據來進行測試和分析，將有利于對材料表面本身的覆冰性能進行科學的衡量與評價，進而能夠在一定理論指導下實現對涂層材料表面本身所具備的防覆冰性能。

        測試方法：本文主要是將自然界形成覆冰的自然條件結合起來，按照以下步驟測試不同鋁材表面的覆冰粘附強度。

        首先，將環境模擬實驗箱中的溫度設為-6℃，當氣溫滿足該溫度條件時便在箱中放入凍冰模具和待測鋁試樣，并進行為期30min的冷卻，待二者的溫度滿足箱內溫度時，需要在鋁試樣的表面放置凍冰模具，在其中分2次進行注水，以此會在其表面形成一定面積的覆冰，覆冰整個凍結的時間控制在2h左右；其次，待凍結完畢以后，需要將特定裝置中放入試樣并將其在固定的卡具內固定，在此基礎上將質量不同的砝碼在測試裝置右側的牽引繩上懸掛，將覆冰模具、覆冰脫落時砝碼的重量加起來，并且將在鋁試樣表面所施加的等效覆冰粘附強度科學計算出來。

        2.3涂層表面憎水性測試

        材料表面的不同憎水性在一定程度上將會直接影響著其覆冰的粘附強度，因此通過測試客觀地分析其憎水性能，將有助于實現對涂層表面覆冰性能的掌握。以靜態和動態測試之間的差異為依據，可以將其表面的憎水性能劃分為水滴接觸角和動態水滴滑行測量，進而會分別影響著其覆冰的形成。

        3結語

        輸電鋁導線防覆冰涂層研究所能夠涉及的內容非常多，諸如材料、電氣、物理、化學等眾多交叉學科，是當下研究輸電線路安全防護的重要內容之一。本文對鋁表面的覆冰性能進行了科學研究，以此將一種具備良好防覆冰性能的超憎水性鋁表面研制出來，但并未將其應用到現場試驗中，為此值得進行深入研究與探索。

        參考文獻

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        [2]導線覆冰增長規律的試驗研究[J].文習山，龔宇清，姚剛，蔣日坤，藍磊.高電壓技術.2009（07）

        [3]直流融冰裝置的研制與應用[J].傅闖，饒宏，黎小林，晁劍，田杰，陳松林，趙立進，許樹楷，馬曉紅.電力系統自動化.2009（11）

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        （作者單位：中國葛洲壩集團電力有限責任公司武漢設計院）